全球多站点风能与波浪能共址开发的协同效应与优化策略研究

推荐：本研究针对风电(Wind Energy)间歇性问题，提出通过共址部署波浪能转换装置(WECs)与海上风机(OWTs)的"容量补充"策略。基于ERA5再分析数据，对澳大利亚、巴西、美国和葡萄牙四个站点进行资源相关性分析，发现共址系统可降低16.32%-27.2%的功率波动，其中南半球站点因季节性相位差表现更优。研究为全球风浪能协同开发提供了量化框架。

　　

随着全球能源转型加速，海上风电(Offshore Wind Turbines, OWTs)装机容量预计2033年将达到487GW。然而风电固有的间歇性导致电网仍需依赖化石能源基荷，严重制约了可再生能源渗透率。波浪能(Wave Energy Converters, WECs)因其持续性特征成为理想补充，但高昂的平准化能源成本(Levelised Cost of Energy, LCoE)阻碍了商业化进程。在此背景下，英国班戈大学的研究团队在《Renewable Energy》发表研究，创新性提出"容量补充"策略——在现有OWT阵列外围部署WECs，而非替代风电容量，通过资源时空互补提升电网稳定性。

研究采用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的ERA5全球再分析数据集，时空分辨率达0.25°×0.25°（风场）和0.5°×0.5°（波浪），时间跨度为2012-2022年。通过4C Offshore数据库筛选出澳大利亚Mid-West、巴西Ventos Fluminenses、美国Olympic Wind和葡萄牙Botafogo四个规划中的海上风场作为研究站点。建立风功率密度(WPD)和波浪能通量(WPF)计算模型，开发新型评价指标风浪协同指数(WWCS)，结合皮尔逊相关系数、交叉相关分析和变异系数(CoV)等统计方法，评估了Pelamis、SeaPower等四种WEC技术在不同容量配比下的性能表现。

在"区域风浪资源统计"部分，研究发现澳大利亚站点具有最活跃的波浪条件，年均WPF达36.58kW/m，模态波高H_s集中在2.5-3m。巴西站点虽资源强度较低（年均WPF 15.03kW/m），但表现出最优的资源解耦特性，瞬时相关系数C(0)仅0.202。美国站点则显示出最大的季节性波动，冬季WPD较夏季高53%。

"资源相关性"分析揭示南半球站点的独特优势：澳大利亚和巴西站点的最大交叉相关出现在22小时和4小时时滞，远高于北半球站点的5-6小时。这种显著的相位差源于南半球站点受涌浪主导的波浪气候影响，与局地风场相关性较弱。联合概率分析显示，当WPF>30kW/m时，四个站点的WPD<1kW/m概率均超过65%，证实了资源互补潜力。

"技术资源评估"部分通过设备功率曲线映射发现，添加50%的Pelamis WEC容量可使澳大利亚站点的停电时间降至1.25%，功率波动降低27.2%。敏感性分析表明，衰减器型WEC在中等海况下表现最优，而点吸收式AWS在强浪区效率更高。特别值得注意的是，30%的WEC容量补充即可获得76%的最大收益，为成本效益平衡提供了关键阈值。

该研究构建了全球适用的风浪能共址评估框架，其创新性体现在三个方面：首次提出"容量补充"而非容量替代的部署策略，开发WWCS多指标评价体系，证实南半球站点因季节性相位差更具优势。实践层面，研究为澳大利亚Mid-West等具体项目提供了优化方案——部署Pelamis WEC且容量不超过30%，预计可降低运维成本29%。理论层面，揭示了涌浪气候与风场的解耦机制，为后续资源评估提供了新范式。未来研究可结合尾流效应和经济性分析，进一步优化阵列布局与设备选型。